工作原理的基础上，以碟式太阳能热发电系统中的斯特林发动机为研究对象，分析斯特林循环以及斯特林发动机的关键技术。结合碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究现状，指出斯特林发动机的诸多研究热点，为碟式太阳能热发电系统相关研究提供依据。
关键词：碟式太阳能热；发电系统；斯特林发动机；斯特林循环
中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）03-0040-03
在化石能源储量日益减少、环境污染问题越来越突出的背景下，太阳能因具有储量丰富、便于获取及无污染等特征，被认为是未来重要的可再生能源。太阳能热发电方式凭借发电成本低、技术成熟、与化石燃料容易构成混合发电系统等优点，成为最被看好的发电方式。在所有的太阳能热发电技术中，碟式太阳能热发电系统因有最高的光电转化效率而具有广阔的发展前景。
1 碟式太阳能热发电系统概述
1.1 发展动态简介
美国Advaned Corporation于1984年建立了一套25 kW碟式斯特林太阳热发电系统，太阳能—电能的最高转换效率记录是29.4%。MDAC建立了8套碟式斯特林热发电系统，系统净效率大于30%，后来MDAC将硬件和技术全部转让给Southern Califonia Edison（SEC）。SEC在1986—1988年间进行试验，年平均效率达12%。20世纪90年代以来，美国的若干企业和研究机构在政府部门的资助下，以项目或计划方式加快碟式太阳热发电技术的研发步伐。2010年1月全球首台1.5 MW商业化碟式太阳能热发电系统在美国投运。
在国内，早从1980年左右就开始研究碟式太阳能热发电技术。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立一个计算聚光器的数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对聚光器的尺寸进行计算，对太阳能热发电系统的经济性进行分析。高瑶设计了一套5 kW的碟式太阳能热发电系统，并模拟此系统在1 d中的实际工作情况，为我国碟式太阳能热发电技术的开发利用提供了数据支持。
1.2 工作原理
碟式斯特林太阳能热发电系统主要由聚光器、吸热器、斯特林机等组成，系统原理如图1所示。其工作原理是将投射到聚光器表面的太阳光聚集到吸热器上，吸热器吸收太阳辐射，将其转化为热能并传递给工质，使工质温度升高，形成高温热源送入斯特林发动机，热量转化为机械能后推动发电机运转，对外发出电能。
在整个碟式太阳能斯特林发电系统中发挥重要功效的是斯特林发动机，它负责将吸热器吸收的抛物面聚光镜反射汇聚的入射太阳光能量转化为机械能，斯特林发动机提供的机械能带动发电机运转，可以进一步将机械能转化为电能。
2 斯特林发动机简论
斯持林（strling）发动机是一种外部加热的闭式循环发动机，主要包括冷却器、回热器、集热器、冷腔、热腔等。如图2所示，斯特林发动机的气缸里有两个活塞分别和热腔、冷腔相连，冷腔里的活塞运动将工质等温压缩，热腔活塞保持不动，冷腔吸收工质放出热量；随后冷腔活塞继续运动到上止点，热腔活塞也开始以相同的速率向下止点运动，工质从冷腔流向热腔，流经回热器时吸收一部分热量，温度升高，压力增大，实现等容加热；随后高温高压的工质膨胀做功，热腔活塞运动到下止点，冷腔活塞保持不动，同时工质流经加热器吸收热量，温度保持不变，实现等温膨胀；随后，冷腔活塞开始向下止点运动，热腔活塞以相同的速率向上止点运动，工质从热腔流向冷腔，流经回热器时散失一部分热量，温度降低，压力减小。斯特林发动机凭借上述循环过程将热能转化为机械能，从而带动发电机发出电能。
2.1 斯特林循环
斯特林循环是一种理想的热力循环，由两个等温过程和两个等容过程组成。图3表明斯特林循环和实现斯特林循环的循环系统及动作过程。循环系统由1个装有两个活塞的气缸构成，在2个活塞间设有回热器。回热器在一个循环中交替从工质吸收热能和向工质释出热能，因而可以将它设想为一块热力海绵。回热器两侧由活塞和气缸组成的腔室分别形成热的膨胀腔（又叫热腔）和冷的压缩腔（也叫冷腔）。这两个腔室的容积变化分别由活塞控制。斯特林循环有4个热力过程组成：等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程、等容冷却过程。
2.2 关键技术
斯特林发动机的关键技术包括性能仿真、热交换器设计与制造、密封和控制等。性能仿真技术主要是对实际的斯特林循环进行模拟仿真，国际上应用较多的是二级分析法和三级分析法（节点分析法）。由于这两种分析法建立的模型与实际工作过程有很大差别，因此需要建立精度更高、更接近实际的CFD模型，以提高模型的精度，进而提高斯特林发动机的综合性能。
换热器是斯特林发动机的重要组成部分，换热器上的损失（回热损失、流阻损失、轴向导热损失等）是斯特林发动机的主要损失，因此换热器的设计与制造技术是影响斯特林发动机综合性能的重要因素。
由于斯特林发动机主要靠工质在汽缸内的往复运动进行工作，因此提高斯特林发动机的密封技术（无论是对提高性能还是增加寿命）具有重要意义。
控制技术是调节斯特林发动机工作的核心技术，但斯特林发动机的控制技术远不如内燃机成熟，因此提高斯特林发动机的控制技术，对提高斯特林发动机和碟式太阳能热发电系统的综合性能有着重要意义。
3 斯特林发动机在碟式太阳能热发电系统中的应用
斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用。用斯特林发动机作为动力系统的太阳能热发电技术，在美国和澳大利亚等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年，大规模的商业运行电站正在建立。2005年8月11日，SCE公司（Southern California Edison）和SES公司（Stirling Energy Systems）宣布签订20 a采购协议，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500 MW并逐步扩大到850 MW的太阳能热发电站。该电站预计将由2万个碟式斯特林发电系统组成，占地18 km2，这是太阳能斯特林发动机技术在商业发电领域第一次大规模应用。2005 年10月12日，SES公司宣布与SDG&E公司（San DiegoGas & Electric）签订提供300～900 MW太阳能电力合同，大约是圣地亚哥地区现有太阳能发电能力的30倍。目前SAIC（The Science Applications International Corporation） 又和美国 Sandia 国家实验室联合开发商用25 kW太阳能热电系统，计划在5 a时间内分3个阶段将56座碟式斯特林发电系统安装和示范于全美各州电能利用基地。
2012年7月底，大连宏海新能源发展有限公司与瑞典Cleanergy公司合作完成的华原集团100 kW碟式太阳能光热示范电厂在内蒙古鄂尔多斯市成功安装，现完成联合调试并进入试运行阶段。这是国内第一个应用碟式太阳能斯特林技术进行发电的光热示范电厂。
4 结语
近年来，斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性进展，能源危机使世界各国对斯特林发动机备加重视，进一步加快了斯特林发动机的发展速度。从目前的研究现状来看，在整个碟式太阳能斯特林发电系统中发挥重要功效的是斯特林发动机，控制技术是调节斯特林发动机的核心技术。所以，提高斯特林发动机的控制技术，可以大大提高碟式太阳能热发电系统的效率。这也是未来研究太阳能热发电系统必须认真对待的问题。
参考文献
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Abstract： Based on the analysis of operating principle of dish-stirling solar power generation system， the article uses the stirling engine in the system of dish-stirling solar power generation as the object， analyzes the key technique of stirling cycle and engine， and combined the research status of stirling engine in dish-stirling solar power generation system， pointed out many research hot points of stirling engine， provides a reference for relative research of dish-stirling solar power generation system.
Key words： dish solar thermal power； generation system； stirling engine； stirling cycle